一族基于正激基本單元的自磁復位正激變換器

1、第30卷 第27期 中 國 電 機 工 程 學 報V ol.30 No.27 Sep.25, 2010 2010年9月25日 Proceedings of the CSEE 2010 Chin.Soc.for Elec.Eng.49文章編號：0258-8013(2010 27-0049-06 中圖分類號：TM 46 文獻標志碼：A 學科分類號：47040 一族基于正激基本單元的自磁復位正激變換器吳紅飛，邢巖(航空電源航空科技重點實驗室(南京航空航天大學, 江蘇省 南京市 210016Forward Converters With Inherent Demagnetizing Features

2、Based on Forward Basic CellsWU Hongfei, XING Yan(Aero-Power Science-Technology Center(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, Jiangsu Province, ChinaABSTRACT: Three basic switching cells including forward positive cell, forward negative cell and forward blending cell of fo

3、rward converter with inherent demagnetizing features were proposed. All cells which consist of switching device, diode and transformer, are the basic building blocks of forward converters that use auxiliary diodes to realize natural magnetizing reset. A new method to construct forward topologies, wh

4、ich is based on the concept of basic cells and their series and parallel connections, was proposed. The two switches forward converter and interleaved series input parallel output forward converter were constituted from the basic cells by using the proposed method and a series of new topologies of f

5、orward converter were proposed. The analysis of one of the proposed topologies was presented and verified by an experimental prototype.KEY WORDS: forward converter；basic switching cell；dc-dc converter ；topology ；magnetizing reset摘要：提出一類自磁復位正激變換器原邊電路的3種基本開關單元：正激正單元、正激負單元和正激復合單元，這些基本開關單元由開關管、磁復位二極管和變壓

6、器構成；提出基于基本單元串并聯的構造正激變換器的推演方法，按照該方法可以構造出雙管正激變換器和交錯串并聯正激變換器等現有拓撲，以及一組新的正激變換器拓撲。給出推演實例和拓撲分析，驗證推演方法的有效性，并以其中的一個拓撲為例，進行實驗驗證。關鍵詞：正激變換器；基本開關單元；直流變換器；拓撲；磁復位0 引言正激變換器由于電路結構簡單和具有較高的效率，獲得了廣泛的研究與應用1-12。正激變壓器的磁復位問題是正激變換器特有的問題，針對該問題已經提出了多種解決方案，包括采用輔助變壓器繞組2、RCD 電路磁復位3、LCDD 諧振磁復位4、諧振磁復位5、雙管正激6、有源鉗位7等各種方式。其中，雙管正激變換器

7、采用兩個二極管完成變壓器的磁復位，電路簡單、開關管電壓應力低8-12。文獻13中提出了交錯串并聯正激變換器，較之雙管正激變換器，原邊使用開關器件數量相同但副邊等效占空比和等效開關頻率提高了一倍。文獻14-15中提出了變換器電路拓撲基本單元的概念，文獻16-17中將基本開關單元概念進行了擴展，并提出了正單元和負單元兩種基本開關單元，指出包括基本直流變換器、電壓源逆變器、電流源逆變器及多電平變換器在內的各種拓撲都可以由基本單元合成得到。正激變換器由于變壓器磁復位問題與一般的變換器不同，因此正激變換器不能由上述的基本開關單元直接得到。雙管正激變換器和交錯串并聯正激變換器13等，均為使用二極管完成變壓

8、器磁復位的正激變換器, 是否可以通過某種基本電路單元統(tǒng)一到一起或歸為一類呢？基于上述思路，本文首先分析正激變換器基本單元成立的條件，并提出兩種基本正激單元：正激正單元(forward positive cell，FPC 和正激負單元(forward negative cell，FNC ，以及一種正激復合單元(forward blending cell，FBC ，并提出了基于基本單元串并聯的一類正激變換器推演方法。1 正激變換器基本單元1.1 基本正激單元正激變換器由功率傳輸回路、變壓器磁復位回基金項目：江蘇省科技成果轉化基金(BA2008001。Project Supported by a G

9、rant from the Transformation of Scientificand Technological Achievements in Jiangsu Province(BA200800150 中 國 電 機 工 程 學 報 第30卷 路和輸出整流濾波電路3部分構成，由于各種正激變換器的輸出整流及濾波電路基本一致，因此基本單元只關注原邊支路，它應該具備功率傳輸和變壓器磁復位兩種功能。提出的基本正激單元如圖1所示?；締卧砷_關管、二極管和變壓器構成，包括(+、( 和(N 3個端點，根據開關管直接連接到(+端還是( 端分為FPC 和FNC ，圖1中同時給出了變壓器允許的電流方向。

10、為了完成功率傳輸及變壓器的磁復位，應將基本單元中的(+端連接到輸入電源的正極性端，( 端連接到輸入電源的負極性端，(N端的電位必須首先滿足表1所示條件。(a 正單元(FPCUU +U 圖1 基本正激單元Fig. 1 Basic switching cells of forward converter表1 N端電位需滿足的條件Tab.1 Potential conditions of N terminal基本單元 開關管開通時開關管關斷時FPC U +U N U N U FNCU N U U +U N假設開關管的占空比為d ，為了使變壓器在開關管關斷期間完成磁復位，對于FPC 必須滿足：+N N

11、 ( (1( d U U d U U (1對于FNC 需滿足：N N ( (1( d U U d U U + (2式(1和式(2決定了對應基本單元中開關管的最大占空比。從基本正激單元的構成及其功能可以看到，FPC 和FNC 互為鏡像電路16-17。 1.2 復合正激單元將FPC 的( 端與FNC 的(+ 端直接相連，則在橋臂的中間出現了兩個二極管的直接串聯結構，將串聯的兩個二極管合并為一個就得到了FBC ，如 圖2所示。FBC 包括4個端子(+ 、( 、(N1 和(N2 ，在FBC 中同時包括了FPC 和FNC 兩個基本單元，橋臂中的二極管同時作為FPC 與FNC 兩個單元的磁復位二極管，在F

12、BC 中，T 1為FPC 的變壓器，T 2為FNC 的變壓器，而FBC 的(+ 端和( 端同時作為FPC 和FNC 的(+ 端和( 端。FBC 在構成正激變換器時，(+ 和( 端連接輸入電壓源，而(N1 和(N2 的電位必須首先滿足表2所示條件。圖2 復合正激單元Fig. 2 Forward blending cell表2 N 1端和N 2端電位需滿足的條件Tab. 2 Potential conditions of N1 and N2 terminalsS 1開通時 S 1關斷時 S 2開通時 S 2關斷時 U + UN1U N1 UU N2 UU + UN2假設開關管S 1的占空比為d 1

13、，開關管S 2的占空比為d 2，為了使變壓器在開關管關斷期間完成磁復位，則開關管占空比需滿足如下關系：1N111( (1( N d U U d U U + (32N22N2( (1( d U U d U U + (4式(3和式(4決定了開關管S 1和S 2所允許的最大占空比。當S 1開通時，輸入電源通過變壓器T 1向負載提供能量，當S 1關斷后，T 1通過S 2的體二極管及二極管D 去磁，因此T 1的去磁為開關管S 2的ZVS 創(chuàng)造了條件，同理，T 2的去磁為S 1的ZVS 創(chuàng)造了條件，因此FBC 的提出為建立ZVS 正激變換器提供了條件。2 基于基本單元串并聯的正激變換器2.1 單個基本單元

14、分析單獨FPC 或者FNC 在滿足表1所規(guī)定的電位條件下也能夠構成正激變換器，但需要使用兩個獨立電壓源，其中一個用作向負載提供能量，而另一個則僅用作變壓器去磁，從輸入源的利用程度來看，這種變換器并不實用。下文分析表明，將一個或者多個基本單元按照一定規(guī)則進行組合可以得到一系列正激變換器拓撲，其中包括雙管正激變換器和交錯串并聯正激變換器13等現有拓撲及一些新的拓撲。2.2 基本單元串并聯組合規(guī)則基本單元在進行串并聯組合時，首先要滿足 表1、2所規(guī)定的端點之間的電位關系，在此基礎上，可以依據以下規(guī)則進行組合：規(guī)則1：任意基本單元的橋臂可以直接串聯，串聯的方式為：其中一個基本單元的(+端與另一個基本單

15、元的( 端相連。規(guī)則2：任意基本單元的橋臂可以直接并聯，第27期 吳紅飛等：一族基于正激基本單元的自磁復位正激變換器 51 并聯的方式為：兩個基本單元的(+ 端與(+ 端相連，( 端與( 端相連，并聯時互為鏡像電路的基本單元需成對出現。規(guī)則3：互為鏡像單元的變壓器通過(N端(包括(N1 和(N2 相連，當兩變壓器的電流不相等時，(N端與(+ 端及(N端與( 端之間需接入電壓源以滿足端點之間的電位關系，同時為多余的電流提供通路；當兩變壓器的電流相等時，兩個變壓器可以合并為一個變壓器，此時，兩個(N端進行合并，電路中不再存在(N端。規(guī)則4：串并聯完成后，屬于同一個基本單元的(+ 端與( 端要分別與

16、電壓源的正負極相連。在滿足上述規(guī)則的前提下，通過一個或者多個基本單元的組合將產生大量的正激變換器拓撲，隨著參與組合的基本單元數目的增多，拓撲中使用的正激變壓器數量也會增多，本文只給出最多包含兩個正激變壓器的正激變換器拓撲。 2.3 雙管正激變換器的生成由一個FPC 和一個FNC 并聯構成雙管正激變換器拓撲的過程如圖3所示。oU圖3 雙管正激變換器的生成Fig. 3Generation of two switches forward converter1）將FPC 與FNC 橋臂并聯，變壓器串聯，如圖3(a所示。2）允許變壓器T 1、T 2原邊電流始終相等，變壓器T 1和T 2合并，(N端消失，

17、如圖3(b所示。3）將FPC 與FNC 并聯后得到的圖3(b所示電路的(+和( 端連接輸入電壓源，同時加入正激變換器變壓器副邊整流和濾波電路，得到雙管正激變換器，如圖3(c所示。2.4 交錯串并聯正激變換器的生成由一個FPC 和一個FNC 并聯構成交錯串并聯正激變換器拓撲的過程如下，如圖4所示。1）將FPC 與FNC 橋臂并聯，變壓器串聯，如圖4(a所示。(a基本單元并聯oU圖4 交錯串并聯正激變換器的生成Fig. 4 Generation of interleaved series input paralleloutput forward converter2）允許變壓器T 1、T 2原邊電

18、流不相等，在(N端與(+端及(N端與( 端間接入電壓源(由電容C 1與C 2提供 ，如圖4(b所示。3）將FPC 與FNC 并聯后得到的圖4(b所示電路的(+ 與( 端分別與輸入電壓的正極與負極相連，同時加入正激變換器變壓器副邊整流和濾波電路，得到交錯串并聯正激變換器，如圖4(c所示。該拓撲已由文獻13提出并驗證了其正確性。 2.5 一族正激變換器拓撲的推演按照上述步驟，可以推演出一族正激變換器拓撲，如圖5所示。圖5(a為由一個FBC 構成的正激變換器，為區(qū)別于前面提到的交錯串并聯正激變換器，將該變換器稱為新型交錯串并聯正激變換器，圖5(b為由兩個FBC 并聯構成的正激變換器18，圖5(c為由

19、FPC 、FNC 、FBC 并聯構成的正激變換器，圖5(d為由FPC 與FNC 串聯后再與FBC 并聯構成的正激變換器，圖5(e為FPC 、FNC 、FBC 3種基本單元復合并聯構成的正激變換器。由于復合單元是由正負單元串聯后化簡得到的，因此圖5中包含復合單元的正激變換器都可以認為是由基本正負單元串并聯組合然后化簡得到的。對于具有兩個變壓器的正激變換器，其副邊有兩路輸出，因此副邊可以兩路并聯輸出也可以兩路串聯輸出，串聯輸出適用于輸出高壓場合，并聯輸出適用于輸出大電流場合，圖5中給出的都是副邊并聯輸出的連接方式。上述的所有正激變換器全部采用輔助二極管完成正激變壓器的磁復位，不需要額外的磁復位電路

20、，故統(tǒng)稱為自磁復位正激變換器。52中 國 電 機 工 程 學 報第30卷 ooooR o圖5 一族自磁復位正激變換器Fig. 5 A family of forward converter withinherent demagnetizing features3 新型交錯串并聯正激變換器的分析以圖5(a所示的新型交錯串并聯正激變換器為例，分析其主要的工作模態(tài)，由于兩個變壓器的磁化和去磁相互影響，開關管S 1與S 2必須互補工作，其中一個關斷時另一個開通，因此副邊整流電路中的續(xù)流二極管D 4可以省去，同時考慮到開關管和變壓器的寄生參數，圖5(a重畫為圖6。圖6所示新型交錯串并聯正激變換器可以利用

21、變壓器的漏感實現開關管的ZVS ，為了實現開關管的ZVS ，兩開關管互補的驅動信號之間需要加入一定的死區(qū)時間。變換器穩(wěn)態(tài)時在一個開關周期內的主要工作模態(tài)和工作波形分析如下。R o圖6 新型交錯串并聯正激變換器Fig. 6 Novel interleaved series input parallel outputforward converter為簡化分析作如下假設：1）開關管S 1與S 2由理想開關、體二極管和寄生電容并聯構成，且C S1=C S2；2）N P1、N S1及N P2、N S2分別為變壓器T 1及T 2的原邊繞組和副邊繞組，且N P1:N S1=N P2:N S2= n ；3）

22、L S1和L S2分別為變壓器T 1和T 2的漏感，L S1=L S2；4）C 1=C 2且足夠大，可以認為U C1=U C2= U in /2，U C1、U C2分別為C 1與C 2上的電壓；5）輸出濾波電感L o 足夠大，可以認為電感L o 的電流是幅值等于I Lo 的直流；6）開關管S 1與S 2占空比相等即d 1=d 2。圖7為變換器在半個開關周期內的主要工作波形，共有5個工作模態(tài)。各模態(tài)的等效電路如圖8所示。1）開關模態(tài)1t 0t 1。如圖8(a所示：t 0時刻之前，S 1導通，S 2關斷，變壓器T 1磁化電流正向增大，D 2導通，輸入電壓通過T 1向負載傳遞能量。t 0時刻，S 1

23、關斷，電感L S1與L S2與開關管寄生電容一起諧振，S 1兩端電壓諧振上升，S 2兩端電壓諧振下降，當S 1兩端電壓上升到U in 、S 2兩端電壓降為0時，該模態(tài)結束。d 1d 2u u u i i i D10 V0 V0 V0 A0 A圖7 主要工作波形Fig. 7 Operation waveforms of the proposed converter第27期吳紅飛等：一族基于正激基本單元的自磁復位正激變換器 53 o(a t 0t 1R oo(c t 2t 3R oo(e t 4t 5圖8 各模態(tài)等效電路Fig. 8 Equivalent circuits of different

24、 work modes2）開關模態(tài)2t 1t 2。如圖8(b所示，t 1時刻，S 2的反并體二極管導通，電感L S1與L S2的電流在輸入電壓的作用下分別線性下降和線性上升，開關管兩端電壓保持不變。3）開關模態(tài)3t 2t 3。如圖8(c所示，t 2時刻，S 2零電壓開通，電感L S1與L S2的電流在輸入電壓的作用下分別線性下降和線性上升，當兩電感L S1與L S2電流相等時，該模態(tài)結束。4）開關模態(tài)4t 3t 4。如圖8(d所示，t 3時刻，兩電感L S1與L S2電流相等，S 2的體二極管截止，電感L S1與L S2的電流在輸入電壓的作用下分別線性下降和線性上升，當L S2的電流等于I L

25、o /n 時，該模態(tài)結束。5）開關模態(tài)5t 4t 5。如圖8(e所示，t 4時刻，二極管D 2截止，變壓器T 1開始去磁，變壓器T 2開始磁化，輸入電壓通過T 2向負載提供能量，直到t 5時刻，開關管S 2關斷，變換器進入下半個開關周期，其工作過程與前半個周期相似，不再重復敘述。4 實驗結果與分析以圖6所示新型交錯串并聯正激變換器為例，搭建了一臺1 kW 的原理樣機。主要參數為：輸入直流電壓U in =(28020V ；輸出電壓U o =48 V ；開關管S 1與S 2以占空比d =0.47開環(huán)工作；變壓器磁芯為EE55。變壓器變比為20:7；變壓器漏感L S1= 4.1 H ，L S2=4.

26、2 H ；開關管(S1S2 為IRFP460；原邊二極管(D1 為UF208；副邊整流二極管(D2D3 為MBR40250-D ；輸出濾波電感L o =5 H ；輸出濾波電容C o =440 F ；原邊分壓電容C 1=C 2=330 F ；開關頻率f s =90 kHz 。圖9(a為滿載時開關管S 1的驅動電壓u GS1和漏源電壓u DS1的波形，圖9(b為滿載時開關管S 1和S 2的漏源電壓(u DS1和u DS2 以及變壓器T 1和T 2的原邊電流(i P1和i P2 的波形。從圖9可知，開關管S 1實現了零電壓開通，實驗表明了理論分析的正確性。u D S 1u G S 1 (a 開關管S

27、 1的驅動和漏源電壓波形t (2 s/格 i P 1, i P 2(100 V /格 u D S 1, u D S 2 (100 V /格u DS1i P1i P2u DS2(b 開關管漏源電壓及變壓器原邊電流波形圖9 實驗波形Fig. 9 Experimental waveforms54 中 國 電 機 工 8 程 學 報 第 30 卷 圖 10 為原理樣機的效率隨輸出功率 Po 變化 的關系曲線，從圖中可以看到，變換器在整個負載 范圍內都具有較高的效率，變換器最高效率達到 95%，10%額定負載時的效率達到 91%，滿載效率 為 94.6%。 96 94 92 90 0 石健將，何湘寧，嚴

28、仰光耦合電感并串型雙管正激組合變換 器研究J中國電機工程學報，2004，24(10：157-161 Shi Jianjiang ， He Xiangning ， Yan Yangguang Study on a parallel-series connection of dual two-transistor forward converter modules with output filter coupled-inductorJProceeding of the CSEE，2004，24(10：157-161(in Chinese 9 石健將，嚴仰光，何湘寧一種具有輸入端電容均壓的串-并型

29、雙 管正激組合變換器研究J中國電機工程學報，2004，24(12： 92-97 Shi Jianjiang ， Yan Yangguang ， He Xiangning A study on series-parallel connection of dual two-transistor forward converter modules with voltage sharing between input-capacitorJProceeding of the CSEE，2004，24(12：92-97(in Chinese /% 300 600 Po/W 900 10 顧亦磊， 顧曉明，

30、 呂征宇， 一種新穎的寬范圍雙管正激型 DC/DC 等 變換器J中國電機工程學報，2005，25(2：44-48 A Gu Yilei， Xiaoming， Zhengyu， al novel wide range dual Gu L et switch forward DC/DC converterJProceeding of the CSEE，2005， 25(2：44-48(in Chinese 11 石健將 雙管正激變換器組合研究D 南京： 南京航空航天大學， 2003 Shi JianjiangResearch on combined two-transistor converter

31、sD Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2003(in Chinese 12 梁小國，危建，阮新波一種新穎的交錯并聯正激三電平變換器 J中國電機工程學報，2004，24(11：139-143 Liang Xiaoguo， Jian， Wei Ruan Xinbo novel interleaved three-level A forward converterJProceeding of the CSEE，2004，24(11： 139-143(in Chinese 13 Jin T， Zhang K， Z

32、hang K， al new interleaved series input parallel et A output (ISIPO forward converter with inherent demagnetizing featuresJ IEEE Trans. on Power Electronics， 2008， 23(2： 888-895 14 Landsman E EA unifying derivation of switching dc-dc converter topologiesC/IEEE Power Electronics Specialists Conferenc

33、e ， California，USA，1979 15 Guo Y，Morcos M M，Lucas M S POn the canonical switching cell for dc-dc convertersC/North American Power Symposium Proceedings，Washington，USA，1993 16 Peng F Z， Tolbert L M， Khan F Power electronics circuit topology the basic switching cellsC/IEEE Power Electronics Educationa

34、l Workshop，Recife，Brazil，2005 17 Khan F H， Tolbert L M， Peng F Z Deriving new topologies of DC-DC converters featuring basic switching cellsC/IEEE Workshops on Computers in Power Electronics，Newyork，USA，2006 18 王慧貞，毛賽君一種適用于高壓輸入的零電壓開關雙管推挽直 流變壓器J中國電機工程學報，2006，26(6：49-53 Wang Huizhen，Mao SaijunA ZVS du

35、al switch push-pull dc/dc transformer for high input voltage applicationJProceedings of the CSEE，2006，26(6：49-53(in Chinese 圖 10 效率與輸出功率的關系 Fig. 10 Curve of relationship between efficiency and output power 5 結論 1）提出了正激正單元和正激負單元兩種基本 開關單元。 2）提出了正激復合單元，正激復合單元的提 出為構造 ZVS 正激變換器提供了條件。 3）提出了基于上述基本單元串并聯的正激變 換器推演的方法，為正激變換器拓撲的系統(tǒng)研究提 供了新的思路。 依據本文所提出的方法推演得到的正激變換 器具有變壓器開關管電壓應力低、可靠性高、效率 高等優(yōu)點，適用于中高壓輸入、中大功率場合。 參考文獻 1 Tan F D The forward converter: From the classic to the contemporaryC/Applied Power Electronics Conference，Texas， USA，2002 2